典型植煙土壤氮素礦化研究

馬興華，榮凡番，苑舉民，劉光亮，石 屹*

[1.農(nóng)業(yè)部煙草類(lèi)作物質(zhì)量控制重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，青島 266101；2.紅云紅河煙草（集團(tuán)）責(zé)任有限公司，昆明 650022；3.江西省煙葉科學(xué)研究所，南昌 330029]

土壤中的氮素主要以有機(jī)氮的形式存在，約占土壤總氮的80%左右，有機(jī)氮基本上不能被植物直接吸收利用，只有在土壤微生物的作用下經(jīng)過(guò)礦化作用轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)氮后才能被植物吸收利用。研究表明，烤煙生育期植株吸收的氮素50%以上來(lái)自于土壤的氮素礦化[1-4]，而且在相同的施氮量條件下，較高土壤肥力下烤煙吸收的土壤氮量顯著高于較低土壤肥力條件下的[2]，說(shuō)明肥力不同的土壤，土壤氮素供應(yīng)能力存在差異。淹水培養(yǎng)法具有方法簡(jiǎn)單，條件容易控制等優(yōu)點(diǎn)，1982年美國(guó)土壤學(xué)會(huì)建議在旱地上應(yīng)用，經(jīng)過(guò)多年的試驗(yàn)研究認(rèn)為，淹水培養(yǎng)法與間歇淋洗法在測(cè)定土壤可礦化氮方面具有同樣的效果[5]，并且與試驗(yàn)作物的吸氮量和產(chǎn)量有很高的相關(guān)性[6-7]，已成為一種可靠的測(cè)定土壤供氮能力的方法。因此本研究利用淹水培養(yǎng)法對(duì)我國(guó)具有代表性的植煙土壤進(jìn)行培養(yǎng)，探討不同類(lèi)型土壤的有機(jī)氮礦化過(guò)程及其影響因素，評(píng)價(jià)土壤供氮能力，為合理施用氮肥，提高氮肥利用率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤為水稻土、黃棕壤、黃壤、紅壤和褐土，其中水稻土、紅壤和黃壤取自湖南邵陽(yáng)煙區(qū)，黃棕壤分別取自湖北南漳煙區(qū)和利川煙區(qū)，褐土取自山東沂水煙區(qū)。采用多點(diǎn)混合方式采集表層0～20 cm土壤，樣品風(fēng)干后挑除石塊、動(dòng)植物殘?bào)w等雜物，過(guò)2 mm篩。供試土壤的基本理化性狀如表1所示。

表1 供試土壤性質(zhì)Table1 Properties of soil samples

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

室內(nèi)培養(yǎng)采用 Warning等[8]的淹水培養(yǎng)法。稱(chēng)取過(guò)2 mm篩風(fēng)干土樣10.00 g倒入100 mL廣口瓶中，每瓶加入20 mL蒸餾水，每種土壤裝18瓶，放入 40 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，自培養(yǎng)之日起，在第 7、14、21、28、42和 56天，每個(gè)處理取出 3瓶，加水將土壤轉(zhuǎn)移至100 mL三角瓶中至水土比5:1，按2.0 mol/L的KCl濃度加入結(jié)晶KCl，振蕩30 min后過(guò)濾，濾液測(cè)定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。

1.3 測(cè)定方法

銨態(tài)氮含量測(cè)定采用靛酚藍(lán)比色法[9]，硝態(tài)氮含量測(cè)定采用紫外分光光度法[10]。土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法，全氮采用半微量凱式定氮法，土壤堿解氮用堿解擴(kuò)散法，土壤機(jī)械組成采用比重計(jì)法[9]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2003分析，方程擬合采用SPSS 13.0，作圖采用Sigmaplot 9.01。

2 結(jié) 果

2.1 土壤銨態(tài)氮含量變化

由圖1可見(jiàn)，培養(yǎng)過(guò)程中，各土壤的銨態(tài)氮含量呈單峰曲線變化，水稻土、黃棕壤和黃壤的銨態(tài)氮含量在培養(yǎng)28 d后最高，紅壤和褐土的銨態(tài)氮含量在培養(yǎng)14 d后最高。整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程可分為3個(gè)階段：土壤銨態(tài)氮含量快速升高期、土壤銨態(tài)氮含量變化平穩(wěn)期、土壤銨態(tài)氮含量迅速降低期。培養(yǎng)開(kāi)始至14 d為銨態(tài)氮含量迅速升高期，以水稻土增加幅度最大，與培養(yǎng)始期比較增加了1014.7%，黃棕壤（南漳）次之，增加了585.3%，黃壤、黃棕壤（利川）分別增加了557.5%、474.8%，紅壤和褐土增加幅度較小，分別為221.0%和169.9%。培養(yǎng)14～28 d各土壤的銨態(tài)氮含量變化較小，銨態(tài)氮含量變化表現(xiàn)為：水稻土＞黃棕壤（南漳）＞黃壤＞黃棕壤（利川）＞紅壤、褐土。培養(yǎng)28 d后土壤銨態(tài)氮含量迅速降低，其中以黃棕壤（南漳）降低幅度最大。在不同的培養(yǎng)時(shí)間，水稻土的銨態(tài)氮含量均高于其他土壤，紅壤和褐土的銨態(tài)氮含量均處于較低的水平。

圖1 培養(yǎng)過(guò)程中土壤銨態(tài)氮含量變化，誤差棒為標(biāo)準(zhǔn)差，S1等代號(hào)參表1Fig.1 Changes of soil NH4+-N content during incubation

2.2 土壤硝態(tài)氮含量變化

由于淹水抑制了土壤硝化細(xì)菌的活動(dòng)，因此培養(yǎng)后土壤硝態(tài)氮含量降低，而且在培養(yǎng)過(guò)程后硝態(tài)氮的含量維持在較低水平（圖2）。在培養(yǎng)過(guò)程中，黃棕壤（南漳）硝態(tài)氮含量最高，水稻土次之，且變化較?。稽S壤、黃棕壤（利川）、紅壤和褐土在培養(yǎng)7～28 d變化較小，表現(xiàn)為黃棕壤（利川）＞黃壤＞褐土＞紅壤；28 d后，黃棕壤（南漳）、黃棕壤（利川）、黃壤、紅壤和褐土的硝態(tài)氮含量呈增加趨勢(shì)。

圖2 培養(yǎng)過(guò)程中土壤硝態(tài)氮含量變化Fig.2 Changes of soil NO3--N content during incubation

2.3 土壤氮素礦化速率和累積礦化速率

土壤氮素礦化速率反映的是土壤氮素在不同的培養(yǎng)時(shí)間段內(nèi)單位時(shí)間的礦化量，由圖3可以看出，培養(yǎng)0～7 d土壤氮素礦化速率最高，8～14 d的次之，這可能與風(fēng)干處理過(guò)程中促進(jìn)了氮素的釋放有關(guān)[11]。在土壤培養(yǎng)0～7 d內(nèi)，土壤的氮素礦化速率表現(xiàn)為水稻土＞黃棕壤（南漳）＞黃壤＞黃棕壤（利川）＞紅壤＞褐土，且差異顯著；培養(yǎng)8～14 d內(nèi)，水稻土、黃棕壤（南漳）、黃壤、黃棕壤（利川）的氮素礦化速率差異較小且顯著高于紅壤和褐土的。培養(yǎng)29～42 d和43～56 d，各土壤的氮素礦化速率均為負(fù)值，表現(xiàn)為氮素的凈固定，培養(yǎng)土壤的銨態(tài)氮含量迅速減少，而且在29～42 d，黃棕壤（南漳）單位時(shí)間的氮素凈固定量顯著高于其他土壤，其銨態(tài)氮含量降低最多。

圖3 土壤氮素礦化速率變化Fig.3 Changes of N mineralization rate of different soils

土壤氮素累積礦化速率是指在整個(gè)培養(yǎng)期間內(nèi)，自培養(yǎng)開(kāi)始，不同的培養(yǎng)時(shí)間長(zhǎng)度下單位時(shí)間的礦化量。由圖4可見(jiàn)，隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，土壤氮素累積礦化速率逐漸降低，當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間達(dá)到42 d時(shí)出現(xiàn)負(fù)值。水稻土的累積礦化速率最高，其次為黃棕壤（南漳）。在培養(yǎng)28 d內(nèi)累積氮素礦化速率表現(xiàn)為黃棕壤（南漳）＞黃壤＞黃棕壤（利川）＞紅壤＞褐土，且差異顯著。隨培養(yǎng)時(shí)間增加，到42 d時(shí)褐土的礦化量為負(fù)值，培養(yǎng)時(shí)間繼續(xù)增加，黃棕壤（南漳）、黃棕壤（利川）、紅壤和褐土的礦化量均為負(fù)值，表現(xiàn)為土壤礦質(zhì)氮的凈固定?？傮w來(lái)說(shuō)，培養(yǎng)期間的土壤氮素累積礦化速率符合對(duì)數(shù)函數(shù)，函數(shù)方程如表2所示。

圖4 土壤氮素累積礦化速率變化Fig.4 Changes of cumulative N mineralization rate of different soils

表2 培養(yǎng)過(guò)程中不同土壤氮素礦化動(dòng)態(tài)的擬合方程，Y為氮素累積礦化速率/（mg·kg-1·d-1），X為培養(yǎng)時(shí)間/dTable2 Fitted regression of N mineralization during incubation

2.4 土壤氮礦化量與土壤理化性狀的關(guān)系

相關(guān)分析表明（表3），培養(yǎng)7 d和14 d的氮礦化量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.922和0.928；與土壤全氮也呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.932和0.924。培養(yǎng)21 d和28 d的氮礦化量與土壤有機(jī)質(zhì)含量及全氮含量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.907、0.899、0.897和0.875。培養(yǎng)期間的氮礦化量與土壤 C/N相關(guān)不顯著。培養(yǎng)7 d和14 d的氮礦化量與土壤粘粒含量相關(guān)不顯著，但培養(yǎng)21d和28d的氮礦化量與土壤粘粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為 0.820和0.841。

表3 培養(yǎng)過(guò)程中土壤氮礦化量與部分土壤理化性狀的關(guān)系Table3 Relationships between the accumulative mineralizable N and some soil physical and chemical properties

3 討 論

本研究結(jié)果表明，淹水培養(yǎng)過(guò)程中，土壤銨態(tài)氮含量呈速增、平緩、速降3個(gè)階段。淹水培養(yǎng)初期土壤銨態(tài)氮含量迅速升高，氮素礦化速率較高，這可能與干土效應(yīng)有關(guān)，即在土壤風(fēng)干過(guò)程中死亡微生物體的礦化，被保護(hù)的土壤有機(jī)氮的釋放，以及一些死亡的原生動(dòng)物促進(jìn)了微生物的活性，從而增加了氮素的釋放量[11]。在不同類(lèi)型土壤中，以水稻土的銨態(tài)氮含量和礦化速率最高，黃棕壤（南漳）、黃壤、黃棕壤（利川）、紅壤和褐土依次降低，這可能是因?yàn)樗就劣袡C(jī)質(zhì)含量最高，加水培養(yǎng)后水稻土微生物（細(xì)菌、真菌、放線菌）數(shù)量增加最多[12]，更多的有機(jī)氮被礦化出來(lái)；而紅壤和褐土由于有機(jī)質(zhì)含量較低，所以氮礦化量較低。淹水條件下由于抑制了土壤硝化細(xì)菌的活性，有利于土壤的氨化，所以產(chǎn)物以銨態(tài)氮為主（圖1）。土壤的氨化過(guò)程實(shí)質(zhì)是微生物通過(guò)酶所促使的化學(xué)反應(yīng)，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，銨態(tài)氮含量逐漸增多，但增幅已降低。逐漸累積的銨態(tài)氮影響了酶促反應(yīng)，抑制了氨化微生物的活動(dòng)，土壤微生物是一個(gè)多群體的組合，氨化微生物受到抑制，其他微生物就會(huì)大量繁殖起來(lái)，這些微生物以礦化的有機(jī)物為碳源，以礦化出的銨態(tài)氮為氮源，逐漸繁殖，導(dǎo)致了銨態(tài)氮含量降低（圖1），所以隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，各土壤的銨態(tài)氮含量降低，以黃棕壤（南漳）銨態(tài)氮含量下降速率最快，可能是由于黃棕壤（南漳）中含有較多的以銨態(tài)氮為氮源的微生物。

前人研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)含量及組成、全氮、土壤質(zhì)地、土壤C/N比等對(duì)氮礦化有顯著影響[13-15]，不同土壤類(lèi)型由于土壤質(zhì)地不同，導(dǎo)致水汽熱狀況的差異，從而影響氮礦化，土壤的C/N比反映著土壤有機(jī)質(zhì)的礦化難易程度，其值越高，有機(jī)質(zhì)越不易礦化。本研究結(jié)果表明，土壤氮礦化量與土壤C/N比相關(guān)不顯著，培養(yǎng)7 d、14 d、21 d和28 d的土壤氮礦化量與土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤全氮含量均呈極顯著正相關(guān)或正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)和全氮含量越高的土壤其氮礦化量越高，土壤供氮能力越強(qiáng)，因此烤煙生產(chǎn)的施肥決策中應(yīng)充分根據(jù)土壤的有機(jī)質(zhì)和全氮含量制定施肥策略，充分利用土壤自身供氮潛力，使養(yǎng)分供應(yīng)與烤煙營(yíng)養(yǎng)需求規(guī)律相吻合，改善煙葉的品質(zhì)。就本研究結(jié)果而言，在水稻土、黃棕壤和黃壤上種植烤煙的化學(xué)氮肥投入量應(yīng)低于在紅壤和褐土上種植烤煙的氮肥投入量。由于不同土壤的氮素供應(yīng)能力與強(qiáng)度不同，在滿足烤煙生長(zhǎng)、煙葉適產(chǎn)優(yōu)質(zhì)特色的前提下，不同土壤氮肥基肥與追肥的投入量與追肥的施用時(shí)間還需要進(jìn)一步研究。

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